基于地震CT的地鐵工程鉆孔詳查技術(shù)研究

侯偉清 葉 英

(北京市市政工程研究院，北京 100037)

我國(guó)目前正處于地鐵建設(shè)的高峰期，必然帶來(lái)大規(guī)模的地鐵勘察工作。一般地鐵埋深在20～30 m左右，勘察難度在于需要考慮較多的城市環(huán)境問(wèn)題，以及淺部管線、交通等。地震CT技術(shù)作為一種物探技術(shù)，如今越來(lái)越多的應(yīng)用在工程領(lǐng)域中，通過(guò)將地震CT技術(shù)與鉆孔相結(jié)合，并結(jié)合透射法及反射法，研發(fā)一套地震CT空間探測(cè)系統(tǒng)。

1 研究背景

1.1 地層劃分

地鐵勘察中，由于采用鉆探取樣及室內(nèi)試驗(yàn)或靜力觸探確定地層信息，地層分布圖往往通過(guò)兩鉆孔的地層資料直線相連得到，孔距或土樣擾動(dòng)過(guò)大會(huì)降低地層劃分的精度。

(1)鉆孔間距

根據(jù)《地下鐵道、輕軌交通巖土工程勘察規(guī)范》5.3.3、5.4.3，初勘階段鉆孔的間距為100～200 m，詳勘階段鉆孔的間距根據(jù)表1確定[2]。

表1 勘探孔間距 m

在地鐵區(qū)間的地質(zhì)勘察中，鉆孔間距一般在30 m以上，分布較為稀疏，而由于自然及人為作用，地層的實(shí)際情況十分復(fù)雜，相鄰鉆孔間的地層情況以“點(diǎn)探”并兩點(diǎn)連線作為地層劃分可能存在較大的誤差，對(duì)地鐵施工的指導(dǎo)作用有待商榷。

(2)土樣信息

對(duì)于鉆探得到的土樣，由于運(yùn)輸及取樣時(shí)存在擾動(dòng)的問(wèn)題，由此進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)所得地層信息可能存在偏差。

為獲得準(zhǔn)確的地層信息，實(shí)際工程中往往將鉆探與物探技術(shù)相結(jié)合。地震CT以其激發(fā)能量較小、勘探精度較高等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)地層的精細(xì)描述。

1.2 地震CT技術(shù)

人工震源(如機(jī)械敲擊、可控震源、爆炸等)所激發(fā)產(chǎn)生的地震波在地下巖層、土壤或其他介質(zhì)中傳播時(shí)，通過(guò)彈性特征各不相同巖層的分界面時(shí)，將產(chǎn)生反射或折射，并且有縱波、橫波、面波等之分，而這些不同類型的波具有不同的傳播速度、路徑、頻率和強(qiáng)度。利用直達(dá)波、反射波、折射波、面波等各種組合，及鉆孔、隧道、邊坡、地面、混凝土(如結(jié)構(gòu))等各種觀測(cè)條件，通過(guò)專門的反演算法可進(jìn)行二維或三維地質(zhì)成像。

目前，地震CT已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)方法系列，成像的物理量包括波速、能量衰減、泊松比等各種類型。本文所涉及的三維層析成像系統(tǒng)采用的是速度譜分析法和繞射疊加進(jìn)行深度偏移來(lái)處理地震剖面，基于觀測(cè)點(diǎn)作為振動(dòng)分量在空間取向的函數(shù)來(lái)追蹤地震波的相位[3]。

對(duì)于地下空間模型，將其劃分為網(wǎng)格，把每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)作為反射點(diǎn)，對(duì)于反射點(diǎn)P，深度為H，所處的記錄道為Si(地表水平位置為Xi)，掃描點(diǎn)P對(duì)應(yīng)任意記錄道Sj(地表水平位置為Xj)的反射波旅行時(shí)tij為[4]

式中，m為參與偏移疊加的記錄道；v為地層的地震波傳播速度。多通道的初至波的tij算得后，再通過(guò)人工校正的方法將同相軸校正，選擇一系列的試驗(yàn)速度然后進(jìn)行各道取值疊加，一系列的速度就對(duì)應(yīng)一系列的振幅值構(gòu)成速度譜線。其疊加公式為[5]

式中，gi(t)為第i道t時(shí)刻的樣值；K為時(shí)窗大?。籄為平均振幅。

經(jīng)過(guò)速度譜分析后，便可進(jìn)行速度拾取，這樣巖土體在空間各個(gè)方向上就有了視速度的空間分布，該分布可進(jìn)行深度偏移及巖土體參數(shù)計(jì)算。

2 設(shè)備研發(fā)與調(diào)試

地震波CT儀器通常都是由地震儀主機(jī)、檢波器串、震源以及觸發(fā)器組成，其中前三者是地震波CT儀器的主要部分，觸發(fā)器的功能是在震源發(fā)射的瞬間，給主機(jī)提供一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，主機(jī)開始采集數(shù)據(jù)，也就是銜接地震儀主機(jī)和震源的裝置[6]。本文所涉及的鉆孔與地面相結(jié)合的地震波空間探測(cè)方法，是在USP地下工程施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上研發(fā)的。

2.1 儀器組成

(1)震源

采用人工錘擊及電火花震源。

(2)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

MHHC采集器，256通道，該采集器具有多通道、高精度、高速、同步信號(hào)采集的特點(diǎn)。

(3)檢波器

PS-100A動(dòng)圈式檢波器。

目前在淺層地震勘探中，有效反射波的頻譜約為100～150 Hz，干擾面波的頻譜約為10～40 Hz，因此主要采用中高頻檢波器來(lái)接收地震波，如固有頻率40 Hz、60 Hz和100 Hz，一般來(lái)說(shuō)，為了壓制低頻噪聲，提高信號(hào)主頻，拓寬地震記錄的高頻上限，選取100 Hz的檢波器[7]。

(4)檢波器串

地面檢波器串：64個(gè)檢波器，由68芯信號(hào)電纜串接而成，使用時(shí)一般將尾椎插入地面或?qū)z波器倒置并用石膏等耦臺(tái)劑黏接。

孔中三分量檢波器串：70 mm/90 mm規(guī)格，分別應(yīng)用于內(nèi)徑70 mm及90 mm的測(cè)斜管，在鉆探封孔前下測(cè)斜管，利用測(cè)斜管內(nèi)壁上的十字槽滑動(dòng)三分量檢波器。根據(jù)《建筑工程地質(zhì)勘探與取樣技術(shù)規(guī)程》及施工經(jīng)驗(yàn)，在地鐵勘察中，用于鑒別與劃分地層的鉆孔孔徑一般在75 mm及以上，而取原狀土樣的鉆孔孔徑一般不小于91 mm[8]。

(5)其他裝置

68芯、20芯信號(hào)電纜，放線車，觸發(fā)器，鐵錘，航空插頭，卷尺等。儀器組成見(jiàn)圖1。

圖1 儀器組成

2.2 成像系統(tǒng)

本系統(tǒng)所涉及的地震CT三維成像系統(tǒng)是在USP系統(tǒng)的基礎(chǔ)上二次開發(fā)而成，USP系統(tǒng)為北京市市政工程院研發(fā)的地下工程施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，系統(tǒng)應(yīng)用見(jiàn)圖2。

圖2 USP21系統(tǒng)

相比于其他CT反演軟件，地震CT三維成像系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)。

(1)可編輯的ini文件：ini文件為windows下的配置文件，用戶可自定義接收器及炮點(diǎn)的位置信息，以實(shí)現(xiàn)排布與接收的靈活設(shè)置；

(2)多震源、多接收器以及多次疊加次數(shù)的方法組合：多達(dá)256通道的數(shù)據(jù)采集及多炮點(diǎn)的聯(lián)合(覆蓋)，從而構(gòu)成高密度的三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體，多次疊加能壓制噪聲，提高信噪比；

(3)三維數(shù)據(jù)圖像：具有整體性強(qiáng)、直觀等特點(diǎn)，且能夠從不同方向任意切割、安裝，能對(duì)任意一個(gè)面作細(xì)化描述，整個(gè)過(guò)程可平移、放大、旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)最佳顯示。

2.3 室內(nèi)試驗(yàn)

室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)康氖钦{(diào)試設(shè)備及測(cè)試三維地震CT成像的有效性，為下一步的野外試驗(yàn)做準(zhǔn)備。圖3為地面觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，由于室內(nèi)條件下孔中CT測(cè)試條件不滿足，只進(jìn)行地面多個(gè)炮點(diǎn)文件的聯(lián)合成像，圖4～7分別為單次激發(fā)所得的波形圖，圖8為反射法聯(lián)合成像。

圖3 地面觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖4 地面檢波器串波形圖

圖5 地面檢波器串波形變密圖

圖6 三分量檢波器串(70 mm規(guī)格)波形圖

圖7 三分量檢波器串(90 mm規(guī)格)波形圖

圖8 反射CT聯(lián)合成像——等值面圖

圖像分析：?jiǎn)未渭ぐl(fā)，地面與三分量檢波器串波形重復(fù)性好，同相軸明顯且無(wú)斷層，與震源及檢波器布置契合；通過(guò)聯(lián)合成像，本套設(shè)備可有效實(shí)現(xiàn)三維地震CT成像，能對(duì)地下結(jié)構(gòu)體輪廓作出一定精度的描述。

室內(nèi)試驗(yàn)表明，本套裝置測(cè)得的均一介質(zhì)地震圖譜規(guī)律性明顯，進(jìn)一步做院內(nèi)測(cè)試，試驗(yàn)表明裝置性能良好，并能實(shí)現(xiàn)三維CT成像，可進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試。

3 野外操作步驟

本系統(tǒng)工作方法：利用電火花震源孔中激振或者人工錘擊產(chǎn)生地震波，同時(shí)通過(guò)外觸發(fā)的方式同步到數(shù)據(jù)采集儀，通過(guò)地面檢波器串以及孔中三分量檢波器串接收直達(dá)波或者反射波，并記錄到數(shù)據(jù)采集儀上，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)各地層信息的采集與判譯，對(duì)鉆孔間地層分層情況作出詳細(xì)的描述，工作示意見(jiàn)圖9。

圖9 工作示意

具體操作步驟如下：

①根據(jù)待測(cè)現(xiàn)場(chǎng)地形條件及周邊環(huán)境，選擇震源的激發(fā)方式并設(shè)計(jì)檢波器的排布方式、炮點(diǎn)排布。

②勘察孔封孔前安裝護(hù)壁管，護(hù)壁管的外徑有90 mm、70 mm兩種規(guī)格，對(duì)于錘擊震源，放置并連接觸發(fā)器，對(duì)于電火花震源，在另一勘察孔內(nèi)注水，連接電火花探頭并伸入水面以下。

③地表面與探測(cè)孔布設(shè)檢波器串，檢波器串與位于地面的數(shù)據(jù)采集儀連接，數(shù)據(jù)采集儀與計(jì)算機(jī)連接。

④打開計(jì)算機(jī)，根據(jù)地質(zhì)情況選擇合理的探測(cè)參數(shù)，例如采樣率、采樣點(diǎn)數(shù)等，并讀取位置信息。激發(fā)震源，計(jì)算機(jī)同步收到地震波的走時(shí)資料，并對(duì)這些聲學(xué)參數(shù)及波形變化做分析研究，得到地震CT空間成像圖。

⑤進(jìn)行地質(zhì)情況的判譯，分析地層信息情況，操作流程見(jiàn)圖10。

4 工程實(shí)例

4.1 勘察資料

以北京某地鐵段地質(zhì)勘查為例，鉆孔編號(hào)為CD05，位于朝陽(yáng)公園西側(cè)停車場(chǎng)，地勢(shì)空曠，外界干擾少，探得地下水位距地表5～6 m，鉆孔位置及地層分布見(jiàn)圖11、圖12。

根據(jù)鉆探結(jié)果，CD05處地層分布為：0～1.1 m為地層①(粉土填土)，1.1～5.2 m為地層①1(雜填土)，5.2～8.3 m為③1(粉質(zhì)黏土)，8.3～12.2 m為④3(粉細(xì)砂)，12.2～15.4 m為④(粉質(zhì)黏土)，15.4～16.9為④3(粉細(xì)砂)，16.9～19.5 m為⑤1(中粗砂)，19.5～23 m為⑥(粉質(zhì)黏土)，23～24.5 m為⑦2(粉細(xì)砂)，24.5～29.1 m為⑦1(中粗砂)，29.1～31.6 m為⑦(圓礫)。

圖12 地層分布

4.2 觀測(cè)系統(tǒng)

本次試驗(yàn)采取錘擊作為震源，檢波器及炮點(diǎn)排布見(jiàn)圖13、圖14。

圖13 透射法三維觀測(cè)系統(tǒng)

圖14 反射法炮點(diǎn)及接收器排布

透射法布置：孔中布設(shè)三分量，間距1 m，深度18 m；炮點(diǎn)間距1 m，共計(jì)134炮，具體位置見(jiàn)圖13。

反射法布置：檢波器間距為0.25 m，共布設(shè)64個(gè)檢波器；炮點(diǎn)間距1 m，共布設(shè)4條測(cè)線，共計(jì)54炮，具體位置見(jiàn)圖14。

4.3 圖像判譯

圖像解釋：圖15、圖16、圖17為三維原始數(shù)據(jù)等值面圖，從圖中可以看出地表處能量較強(qiáng)，地下1.5至6 m左右能量弱，6 m以下，隨著深度加大圖譜中顏色也逐漸加深，即反射能量逐漸加強(qiáng)，并能明顯看出分界情況。結(jié)合場(chǎng)地條件及地質(zhì)資料：地表處為透水磚及瀝青路面(見(jiàn)圖18)，較為密實(shí)，地震波傳播速度快；地表至地下5 m為填土，土質(zhì)疏松；現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得地下水位深度為6 m，一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)土層孔隙中充滿流體水時(shí)，土層縱波波速會(huì)迅速的上升至1 400 m/s(水的縱波波速)；隨著深度的加深，土骨架本身的縱波波速會(huì)超過(guò)1 400 m/s，且分層情況明顯。

圖15 透射三維層析成像圖16 透射三維層析成像(另一角度)圖17 反射三維層析成像(0～10m)圖18 場(chǎng)地及現(xiàn)場(chǎng)照片

試驗(yàn)表明：本套系統(tǒng)對(duì)地層構(gòu)造較為敏感，地層分界較為明顯，基本與勘察資料吻合。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了基于地面與孔中相結(jié)合的地震CT空間探測(cè)方法，相比較傳統(tǒng)的地層劃分方法，本系統(tǒng)能更好的反映地層分界及變化情況，能為地鐵設(shè)計(jì)與施工提供較為精細(xì)的地層信息，可作進(jìn)一步的研究及應(yīng)用。

[1] 葉英，侯偉清，張鵬.一種基于鉆孔與地面相結(jié)合的地震波空間探測(cè)方法[P].專利號(hào)：201210409578

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